基于粒子系统的海洋非结构网格流场三维动态可视化

The research focus of 3D GIS has changed from the visualization of terrain to the dynamic visualization of geographical process, which needs to integrate the computer graphics techniques with the geographical models. Taking the well-known FVCOM (Finite Volume Coastal Ocean Model) of physical oceanography for example, this project presents a novel 3D dynamic visualization method of ocean flow fields on unstructured grids based on particle system. The method simulates and visualizes ocean flows with massive random moving particles. Firstly, the research develops high effective particle tracing algorithm on unstructured grids based on 3D spatial index, and exploits parallel computation of GPU to accelerate the algorithm. Secondly, the research optimizes design of particle symbol and 3D map by the Gestalt Theory and the new visual variables, such as transparency and illumination. The research provides an interactive focus+context 3D visualization to reduce the occlusion and visual cluttering, and also builds a multi-scale model of particle system to obtain clear and intuitive 3D representation.

GIS领域的三维可视化研究已从几何特征（地表起伏）表达走向地理特征（地理过程）表达，需要将计算机图形学技术与地学领域专业模型结合以展示场景分布模式、揭示地理环境机理、预测地理过程趋势。本项目将针对当前物理海洋模拟中常用的非结构化网格模型FVCOM，基于粒子系统进行海洋流场三维动态可视化研究，通过高效粒子追踪方法和三维粒子系统动态制图方法，实现大量粒子的连续运动对三维流场进行动态模拟和表达。首先，本项目将探索三维非结构网格单元空间索引，优化粒子点定位算法，研究基于GPU的海量粒子追踪并行计算，建立高效粒子追踪方法。其次，研究三维粒子系统符号视觉变量体系，以格式塔原理为指导优化粒子符号和动态地图设计，通过“焦点+上下文”等策略消除三维粒子图形视觉混乱，建立粒子系统多尺度表达模型，发展结构清晰、层次分明、重点突出的三维粒子系统动态制图方法。

本项目将针对当前物理海洋模拟中常用的非结构化网格模型FVCOM，基于粒子系统进行海洋流场三维动态可视化研究，通过高效粒子追踪方法和三维粒子系统动态制图方法，实现大量粒子的连续运动对三维流场进行动态模拟和表达。本项目主要完成了如下研究内容：.（1）建立了非结构化网格流场中的高效粒子追踪算法.通过三维非结构网格流场空间索引结构，研发了高效粒子定位算法；建立了自适应阶数和步长的数值积分算法，减少了粒子追踪计算冗余，提高了追踪效率；研发了基于GPU的海量粒子追踪并行计算和渲染方法，实现了百万数量级三维粒子以20fps以上的帧速率进行实时追踪和渲染。.（2）发展了粒子系统三维动态制图方法.研究了三维动态粒子系统符号视觉变量体系，将透明度视觉变量应用到三维动态制图中；利用“焦点+上下文”等策略减轻了三维粒子图形的视觉混乱问题；建立了三维粒子系统多尺度表达模型，实现了结构清晰、层次分明、重点突出的海洋流场三维动态模拟和表达。.本项目基本达到了研究目标，相关成果发表论文5篇，获得软件著作权1项，获得省部级科技奖励2项。研发的粒子系统三维流场可视化软件在国家海洋环境预报中心、国际海洋局北海预报中心、中国海洋大学大气海洋学院等单位投入业务化运行，作为海洋流场的展示和分析工具得到了海洋领域专家的好评，取得了良好的社会效益。